脉冲激光沉积纳米氧化钛薄膜及其光催化性能的研究

论文摘要

本文以TiO2薄膜为主要研究对象,在研究其制备工艺的同时为实现提高TiO2薄膜的可见光光催化活性的目的进行了一系列的实验,其中包括混晶结构TiO2薄膜,N掺杂TiO2薄膜和TiO2/ZnO复合薄膜的制备。深入的研究了各种薄膜的光催化机理。实验通过一种成本较低操作简便的脉冲激光沉积技术成功的获得了纳米锐钛矿型TiO2薄膜。用脉冲激光沉积法制备得到了具有最佳光催化活性的锐钛矿型TiO2的最佳工艺条件:氧压5～10Pa,基底温度600°C。为了提高薄膜对太阳光的利用率及薄膜的光催化效率,实验利用在氧气气氛下的高温退火方法得到了具有混晶结构的纳米TiO2薄膜,这种具有混晶结构的薄膜拥有较小的禁带宽度因而大大扩展了薄膜对可见光的响应范围,从而提高了薄膜的光催化效率。同时由于两种晶型具有不同的禁带能,通过引入的机制模型分析,由于这种特殊的结构有效的抑制了电子和空穴的复合,从而提高了光降解的效率。实验通过在N2气气氛下烧蚀TiO2靶得到了N掺杂TiO2薄膜。N的掺入为薄膜提供了缺陷能级,因而降低了电子的激发能量而扩大了波长响应范围进而得到了具有较高光催化活性的薄膜。而纳米TiO2/ZnO复合薄膜的光降解效率的提高则是依靠促进受激电子的迁移而降低电子空穴复合的几率来实现的。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米半导体材料概述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 纳米半导体材料的性质
• 1.1.3 纳米半导体材料的光电特性
• 1.1.4 纳米半导体材料的制备方法
• 1.1.5 纳米半导体材料的应用
• 1.2 半导体光催化技术概述
• 1.2.1 半导体光催化氧化反应的基础理论
• 1.2.2 半导体光催化活性的主要影响因素
• 2 的基本特性'>1.3 TiO₂的基本特性
• 2 的结构和物理特性'>1.3.1 TiO₂的结构和物理特性
• 2 的光学性质'>1.3.2 TiO₂的光学性质
• 2 的光催化特性'>1.3.3 纳米TiO₂的光催化特性
• 1.4 选题意义及研究内容
• 第二章 实验材料设备及表征方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验材料的预处理
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 薄膜沉积系统
• 2.2.2 光降解实验系统
• 2.3 实验方案
• 2 薄膜'>2.3.1 采用金属Ti 靶，在氧气气氛下制备纳米TiO₂薄膜
• 2薄膜得到混晶的TiO₂ 薄膜'>2.3.2 退火TiO₂薄膜得到混晶的TiO₂薄膜
• 2 靶用PLD 法制备氮掺杂的TiO₂ 薄膜'>2.3.3 采用陶瓷TiO₂ 靶用PLD 法制备氮掺杂的TiO₂薄膜
• 2/ ZnO 复合薄膜'>2.3.4 用PLD 法制备TiO₂/ ZnO 复合薄膜
• 2.4 微观组织结构和光学性能的表征
• 2.4.1 X 射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）
• 2.4.2 透射电子显微镜（Transmission electron microscopy, TEM）
• 2.4.3 X 射线光电子能谱（X-Ray Photoelectric Spectrum，XPS）
• 2.4.4 场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning ElectronMicroscope，FE-SEM）
• 2.4.5 薄膜厚度的测量
• 2.4.6 紫外/可见光谱（UV/Vis Spectrum）
• 2.4.7 光致发光光谱（Photoluminscence Spectrum, PL）
• 2.4.8 光催化性能测试
• 2薄膜的制备及工艺研究'>第三章 纳米锐钛矿型TiO₂薄膜的制备及工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 2 薄膜的结构'>3.2.1 TiO₂薄膜的结构
• 2 薄膜的光学性能'>3.2.2 TiO₂薄膜的光学性能
• 3.3 本章小结
• 2薄膜的制备及光催化机理研究'>第四章 混晶TiO₂薄膜的制备及光催化机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 XRD 分析
• 4.2.2 TEM 分析
• 4.2.3 XPS 分析
• 4.2.4 SEM 观察
• 4.2.5 光催化活性分析
• 4.2.6 UV/Vis 光谱分析
• 2 薄膜的光催化机理分析'>4.2.7 混晶TiO₂薄膜的光催化机理分析
• 4.3 本章小结
• 2薄膜的制备及光催化机理研究'>第五章 N 掺杂TiO₂薄膜的制备及光催化机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 2 薄膜的制备和光催化机理研究'>5.2.1 氮掺杂TiO₂薄膜的制备和光催化机理研究
• 2?xNx 薄膜性能的影响'>5.2.2 N 的掺杂浓度对TiO₂?xNx 薄膜性能的影响
• 5.3 本章小结
• 2/ZnO 纳米复合薄膜的制备及光学性质研究'>第六章 TiO₂/ZnO 纳米复合薄膜的制备及光学性质研究
• 6.1 引言
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 ZnO 薄膜的制备与研究
• 2/ZnO 复合薄膜的制备与性质研究'>6.2.2 TiO₂/ZnO 复合薄膜的制备与性质研究
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 摘要
• Abstract
• 致谢